DE69207384T2

DE69207384T2 - Haltbare Beschichtung für elektrische Steckkontakte

Info

Publication number: DE69207384T2
Application number: DE69207384T
Authority: DE
Inventors: John Robert Miller; I-Yuan Wei
Original assignee: Whitaker LLC
Current assignee: Whitaker LLC
Priority date: 1982-11-29
Filing date: 1992-05-26
Publication date: 1996-08-01
Anticipated expiration: 2012-05-27
Also published as: DE69207384D1; ES2081567T3; US5129143A; EP0571673A1; EP0571673B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf elektrische Kontaktanschlüsse, die Schichten von Edelmetall haben, das elektrisch darauf abgelagert ist.
Elektrische Kontaktanschlüsse, die in der elektronischen Industrie verwendet werden, müssen gute elektrische Leiter sein, bei wiederholter Benutzung hoch-zuverlässig sein und zur gleichen Zeit widerstandsfahig gegen Korrosion oder Oxidation sein. Traditionellerweise hat die Industrie diese Kriterien durch Beschichten der Anschlüsse mit Hartgold erfüllt. Der ansteigende Preis von Gold hat jedoch die Industrie ermutigt, weniger teure Mittel zu finden und dennoch die gewünschten Charakteristiken aufrechtzuerhalten.
Die Verwendung von Palladium anstelle von Gold wurde durch die Industrie erforscht. Obwohl Palladium sich als guter Leiter erwiesen hat, der gegen Korrosion widerstandsfähig und weniger teuer als Gold ist, wurde gefunden, daß Palladium für Anschlüsse unzuverlässig ist, die wiederholte Zusammenfügungen erfordern. Abhängig davon, welches der vielen bekannten Palladium-Beschichtungsbäder verwendet wurde, verursachte ein wiederholtes Zusammenfügen der beschichteten Kontaktanschlüsse entweder, daß die Palladiumschicht durchgehend verschlissen wurde oder daß die Palladiumschicht aufsprang und an die Oberfläche der zusammenzufügenden Teile abrieb. Jede Art von Problem verursacht, daß die Kontaktanschlüsse ausfallen.
Bis jetzt waren Bemühungen, diese lange bestehenden Probleme zu lösen, nicht erfolgreich. Die offenbarte Erfindung löst die oben genannten Probleme durch die Entdeckung, daß die innere Makrobeanspruchung innerhalb der Palladiumschicht selbst die Ursache für die Probleme ist. Die innere Makrobeanspruchung des Palladiums wird durch Brechen (defraction) mittels Röntgenstrahlen nach dem Verfahren gemessen, das durch C.N.J.Wagner et al, Trans. Mat. Soc. AIME 233, 1280 (1965) beschrieben wurde. Wenn das beschichtete Palladium eine geringe innere Makrobeanspruchung hat, kleiner als 206,84 MPa (30.000 psi) (niedrig beanspruchtes Palladium), verschleißt die Palladiumschicht durch adhäsiven Verschleiß nach wenigen Zusammenfügungen. Palladium, das eine hohe innere Makrobeanspruchung hat, größer als 965,27 MPa (140.000 psi), bricht, wenn es mehrfachen Zusammenfügungen unterworfen wird und verursacht Abriebverschleiß. Beschichtungsbäder, die Palladium ablagern, das eine Makrobeanspruchung im Bereich von 206,84 MPa bis 965,27 MPa (30.000 bis 140.000 psi) hat (Palladium mit mittlerer Beanspruchung) erzeugen Kontaktanschlüsse, die sehr viel höhere Verschleißeigenschaften haben als Kontakte, die mit Palladium mit niedriger oder hoher Beanspruchung beschichtet wurden. Eine kleine Anzahl der Palladium-Kontaktanschlüsse mit mittlerer Beanspruchung zeigt jedoch einen frühen Verschleiß und entwickelt spontan Makrorisse. Dieses Problem mit dem Palladium mit mittlerer Beanspruchung wird verhindert und die Verschleißeigenschaften dieser mit Palladium beschichteten Kontaktanschlüsse werden in unerwarteter und überraschender Weise erhöht durch die Anwendung einer Schicht von reinem Weichgold. Das vorzugsweise verwendete Gold entspricht MIL SPEC MIL-G-452048 Type III, Grad A, Goldprozentsatz 99,9, Knoop- Maximum 90.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben:
Fig. 1 ist eine dreidimensionale Ansicht eines elektrischen Kontaktanschlusses, der gemäß der Erfindung beschichtet worden ist.
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht des beschichteten Bereichs des Anschlusses längs der Linien 2-2 von Fig. 1.
Fig. 3 ist eine mikrographische Darstellung eines Querschnitts des beschichteten Kontaktbereichs des Anschlusses von Fig. 1 und zeigt die Lagen der Beschichtung auf dem Anschluß, wobei die Vergrößerung 10.000mal beträgt. Es wurde ein AMR Scanning-Elektronenmikroskop mit einem Kavex-Linien-Röntgenstrahlen-Fluoreszenzdetektor verwendet.
Fig. 4 ist die Ansicht einer Oberfläche des beschichteten Kontaktbereichs des Anschlusses von Fig. 1, wobei die Vergrößerung 1.000mal beträgt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 hat ein elektrischer Kontaktanschluß 10 einen Kontaktbereich 12 mit einer beschichteten Oberfläche 14. Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 zeigt eine Schnittansicht des Kontaktbereichs 12 das Substrat 16 des Anschlusses 10, die Lage des beschichteten Palladiums 18 und die Lage von Gold 20 auf der Palladiumschicht 18. Fig. 3, die ebenfalls eine mikrographische Darstellung eines Querschnitts des Kontaktbereichs 12 eines Anschlusses 10 ist, der gemäß der Erfindung beschichtet wurde, zeigt die relative Dicke der Lage der Beschichtung auf dem Substrat 16. Die Goldschicht 20 ist offensichtlich viel dünner als die Palladiumschicht 18.
Fig. 4 ist eine Oberflächenansicht eines beschichteten Kontaktanschlusses 10 bei einer Vergrößerung von 1.000. Das Bild zeigt, daß der beschichtete Kontaktbereich frei von Mikrorissen ist.
Die gesamte Oberfläche der Anschlüsse kann gemäß der offenbarten Erfindung beschichtet werden. Es ist jedoch wirtschaftlicher, selektiv nur den Kontaktbereich der Anschlüsse mit Palladium und Gold zu beschichten. Wenn ein selektives Beschichten gewünscht wird, erhält der Anschluß eine untere Beschichtung aus Nickel, um alle diejenigen Bereiche des Anschlusses zu schützen, die nicht später durch Palladium und Gold geschützt werden.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Substrat des Kontaktanschlusses anfänglich mit einer dünnen Schicht aus Edelmetall, Gold, Silber oder Palladium, beschichtet, vorzugsweise mit Palladium, um die Adhäsion der nachfolgenden Palladium- und Goldschichten zu fördern. Eine dünne Schicht aus Palladium ist, anders als eine Schicht aus Gold oder Silber, von der nachfolgenden Palladiumschicht bei Betrachtung mit einem Elektronenmikroskop, wie in Fig. 3, nicht zu unterscheiden. Die Verwendung von Edelmetallschichten zur Adhäsion ist den Fachleuten dieses Gebietes wohl bekannt. Zahlreiche Beschichtungsbäder, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, können zum Erzeugen dieser dünnen Schichten verwendet werden.
Eine 0,13 bis 2,54 µm, vorzugsweise eine 0,38 bis 2,03 µm (5 bis 100 Mikrozoll, vorzugsweise 15 bis 80 Mikrozoll) dicke Schicht von Palladium mit einer Makrobeanspruchung im Bereich von 206,84 MPa bis 965,27 MPa, vorzugsweise 413,69 bis 689,48 MPa (30.000 bis 140.000 psi, vorzugsweise 60.000 bis 100.000 psi) wird auf den Anschluß aufgebracht. Ein Bad zum Beschichten von Palladium mit dem gewünschten Bereich der Makrobeanspruchung ist in US-Patent 1 970 950 offenbart.
Das Bad enthält eine wässrige Lösung von Pd(NO&sub2;)&sub4;&supmin;² in einer Menge, die ausreicht, um eine Palladiumkonzentration von etwa 5,01 bis 30,40 g/L (0,61 bis 3,7 Troy-Unzen per Gallon) zu schaffen. Das Bad wird bei einer Temperatur betrieben, die von 45 bis 75ºC (113 bis 167ºF) reicht, mit einem pH-Wert, der von 4,5 bis 7,5 reicht, und mit einer Stromdichte von 10,8 mA/cm² (10 Ampere pro Quadratfuß).
Eine Schicht von reinem Weichgold mit einer Dicke im Bereich von 0,03 bis 0,18 µm, vorzugsweise 0,05 bis 0,10 µm (1 bis 7 Mikrozoll, vorzugsweise 2 bis 4 Mikrozoll) wird über die Palladiumschicht aufgebracht. Das Gold ist vorzugsweise wenigstens zu 99,9 Prozent rein und muß eine Knoop-Härte im Bereich von 60 bis 90 haben. Da das Gold weich ist, wirkt es als Kontaktschmiermittel, wenn die Anschlüsse wiederholten Zusammenfügungen unterworfen werden. Jedes Goldplattierbad, das MIL SPEC MIL-G452048 Type III, Grad A, Goldprozentsatz 99,9, Knoop-Maximum 90 entspricht, kann verwendet werden, um die Goldschicht aufzubringen.
Der Erfolg dieses besonderen zweilagigen Beschichtungssystems ist außerordentlich. Während die Verwendung von Gold über Palladium zum Beschichten in US-Patent 4 138 604 diskutiert wurde, war das dort verwendete Gold Hartgold. Das Gold wurde in dem Glauben verwendet, daß es die Poren des darunter liegenden Palladiums ausfüllen und somit eine glatte Kontaktoberfläche ergeben würde.
Durch die Erfinder wurde festgestellt, daß die Verwendung einer dünnen Schicht von Weichgold über Palladium die Dauerhaftigkeit der Kontaktoberfläche dramatisch verbessert. Das Weichgold wirkt als ein festes Schmiermittel und verkleinert somit den Reibungskoeffizienten und vermindert dadurch den Adhäsionsverschleiß des Systems. Es eliminierte auch vollständig den zufälligen frühen durchgehenden Verschleiß, der bei einigen der Palladiumablagerungen mit mittlerer Beanspruchung gefunden wurde.
Ein Überzug aus Hartgold über Palladium hat keine dieser Eigenschaften. Diese Kombination benimmt sich in ähnlicher Weise wie eine reine Palladiumbeschichtung, indem sie Adhäsionsverschleiß und auch frühen Sprödbruch der Beschichtung zeigt.
Eine Vorrichtung zum Testen des Verschleißes, bestehend aus einer flachen hin- und hergehenden unteren Oberfläche und einer stationären haibkugelförmigen oberen Oberfläche oder einem Anschluß wurde verwendet, um die Dauerhaftigkeit der beschichteten Anschlüsse zu bestimmen. Die Vorrichtung mißt sowohl Reibungskräfte als auch Kontaktwiderstand. Siehe Rabinowitz, Friction and Wear of Materials, John Wiley and Sons, Inc., New York, 1965, Seite 104 für eine ähnliche Vorrichtung.
Die Anschlüsse wurden in der Vorrichtung montiert. Die Dauerhaftigkeit der Kontaktoberfläche wurde bestimmt durch Aufbringen einer Belastung von 0,2 kg (0,44 Pound) auf den Anschluß, um eine typische Kontaktkraft zu simulieren und den belasteten Anschluß der hinund hergehenden Bewegung der Vorrichtung zu unterwerfen, wobei jeder Zyklus der Vorrichtung ein Einsetzen und ein Zurückziehen des Anschlusses darstellte. Die Anzahl der vollständigen Zyklen wurde gezählt, bis das Grundmaterial freigelegt war, die plattierte Oberfläche Mikrorisse zeigte oder eine vorbestimmte Anzahl von Zyklen erreicht wurde.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die außerordentlichen und unerwarteten Ergebnisse, die durch das Beschichten von Anschlüssen mit Palladium mit mittlerer Beanspruchung und Weichgold erreicht wurden, wie hier offenbart, im Vergleich zu Anschlüssen, die mit Palladium mit mittlerer Beanspruchung und keinem Gold oder mit anderem Palladium mit hoher oder niedriger Beanspruchung und mit Weichgold beschichtet waren.

Beispiel 1

Eine Anzahl von Anschlüssen der in Fig. 1 veranschaulichten Art wurde in der bevorzugten Weise beschichtet. Das Substrat aus Phosphorbronze des Anschlusses wurde zuerst mit 2,54 µm (100 Mikrozoll) Nickel beschichtet, wofür ein Nickel-Sulfamat-Bad (chloridfrei) verwendet wurde. Siehe George A. DiBari, 49th Guidebook, Metal Finishing, Seite 278, 1981, Metals and Plastics Publications, Inc., Rackensack, New Jersey.
Eine dünne Schicht von Palladium zum Unterstützen des Anhaftens der nachfolgenden Palladiumschicht wurde dann aufgebracht. Das kommerzielle Decorex-Beschichtungsbad wurde verwendet. Dieses Bad ist von Sel-Rex, Nutley, New Jersey 07110, erhältlich. Das Bad wurde betrieben bei 24ºC (75ºF),bei pH =9 und einer Stromdichte von 10,8 mA cm² (10 Ampere pro Quadratfuß).
Die Anschlüsse wurden dann mit 72 Mikrozoll Palladium mit mittlerer Beanspruchung beschichtet, wofür das Bad verwendet wurde, wie es in US-Patent 1 970 950 beschrieben ist. Die Palladium-Konzentration war 10,02 g/L (1.22 Troy-Unzen per Gallon). Das Bad wurde bei einer Temperatur von 60ºC (140ºF), bei pH =6,0 und bei einer Stromdichte von 10,8 mA cm&supmin;² (10 Ampere pro Quadratfuß) betrieben.
Die Anschlüsse wurden dann mit etwa 0,09 µm (3,7 Mikrozoll) Weichgold beschichtet. Das für diese Muster verwendete Bad enthielt eine wässrige Lösung von KAu(CN)&sub2; in einem Betrag, der ausreicht, um eine Goldkonzentration von 8,21 g/L (1 Troy-Unze per Gallon) zu liefern. Das Bad wurde betrieben bei 60ºC (140ºF),pH = 6,2 und bei einer Stromdichte von 5,4 mA cm&supmin;² (5 Ampere pro Quadratfuß).
Die verbleibende Makrobeanspruchung dieser Anschlüsse reichte von 551,58 bis 896,32 MPa (80.000 bis 130.000 psi). Bei den Dauerstandversuchen erreichten alle dieser Beispiele 1.000 Zyklen, ohne einen Ausfall zu zeigen. Einige wenige Muster wurden weiteren Versuchen auf Dauerhaftigkeit unterworfen und erreichten 10.000 Zyklen ohne Ausfall. Der Kontaktwiderstand von Anschlüssen, die mit Palladium mit mittlerer Beanspruchung und Weichgold beschichtet waren, wurde bei einem Aussetzen zu 245ºC (480ºF) für 16 Stunden nicht beeinträchtigt.

Beispiel 2

Eine Anzahl von Anschlüssen der in Fig. 1 veranschaulichten Art wurde mit Nickel, einer dünnen Palladiumschicht und mit Palladium in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 beschichtet. Es wurde kein Weichgold auf diese Muster aufgebracht.
Die Makrobeanspruchung des Palladiums mit mittlerer Beanspruchung bei diesen Mustern reichte von 413,69 bis 965,27 MPa (60.000 bis 140.000 psi). Über neunzig Prozent dieser Anschlüsse erreichten nicht 50 Zyklen in dem Dauerstandversuch.

Beispiel 3

Anschlüsse der in Fig. 1 veranschaulichten Art wurden mit Nickel und einer dünnen Palladiumschicht versehen, wie zuvor in Beispiel 1 beschrieben wurde. Die Anschlüsse wurden dann mit 1,90 µm (75 Mikrozoll) Palladium beschichtet, wofür das kommerziell verfügbare Pallaflex-Bad verwendet wurde. Dieses Bad ist erhältlich von Vanguard Research Associates,
Inc., South Plainfield, New Jersey 07080. Das Bad wurde betrieben bei 65ºC (149ºF), pH = 6,8 und bei einer Stromdichte von 10,8 mA cm&supmin;² (10 Ampere pro Quadratfuß). 0,08 µm (3 Mikrozoll) Weichgold wurde über die Palladiumschicht aufgebracht, wobei das gleiche Goldbad wie bei Beispiel 1 verwendet wurde.
Der in dem getesteten Muster verbleibende Makrostreß war 89,63 MPa (13.000 psi). Die Kontaktoberfläche dieses Anschlusses fiel in dem Dauerstandhaftigkeitstest bei weniger als 10 Zyklen aus.

Beispiel 4

Anschlüsse der in Fig. 1 veranschaulichten Art wurden mit Nickel und einer dünnen Palladiumschicht versehen, wie zuvor in Beispiel 1 beschrieben. Die Anschlüsse wurden dann mit 1,90 µm (75 Mikrozoll) Palladium beschichtet, wofür das kommerziell erhältliche Pallaspeed- Bad verwendet wurde. Dieses Bad ist erhältlich von Technic, Inc., Cranston, Rhode Island 02910. Das Bad wurde betrieben bei 60ºC (149ºF),pH = 5,8 und bei einer Stromdichte von 10,8 mA cm&supmin;² (10 Ampere pro Quadratfuß). 0,08 µm (3 Mikrozoll) Weichgold wurde über die Palladiumschicht aufgebracht, wofür das gleiche Goldbad wie in Beispiel 1 verwendet wurde.
Der verbleibende Makrostreß des getesteten Muster lag im Bereich von 965,27 bis 1.103,16 MPa (140.000 bis 160.000 psi). Dauerstandsfähigkeits-Versuche mit Mustern in diesem Bereich ergaben zufällige Ergebnisse. Einige der Muster fielen nach zwei Zyklen aus, einige nach 10 Zyklen und einige überlebten 1.000 Zyklen.
Durch die vorstehenden Beispiele ist klar dargestellt, daß Anschlüsse, die gemäß der hier offenbarten Erfindung beschichtet wurden, einen wesentlichen und unerwarteten Anstieg in der Dauerhaftigkeit haben.
Es ist zu verstehen, daß die Art des Anschlusses, der für die Beispiele verwendet wurde, nur repräsentativ für viele Arten von Anschlüssen ist. Der gleiche relative Anstieg in der Dauerhaftigkeit der Kontaktoberfläche ist mit anderen Arten von Anschlüssen erreichbar.

Claims

1.Verfahren zum Herstellen eines beschichteten elektrischen Kontaktanschlusses (10) zum Zusammenfügen mit einem komplementären Kontaktglied, mit den Schritten: Auswählen eines elektrischen Kontaktanschlusses (10), Auswählen einer Palladium-Beschichtungslösung und Auswählen von Prozeßparametern für das Beschichten von Palladium aus einem Bad der gewählten Lösung auf den elektrischen Kontaktanschluß, Aufbringen einer Schicht (18) aus Palladium aus dem Bad auf den Anschluß und Aufbringen einer Schicht (20) aus Gold auf die Palladiumschicht, wobei das Gold eine Knoop-Härte im Bereich von 60 bis 90 hat, wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:

- Auswählen der Palladium-Beschichtungslösung und Optimieren der Parameter so, daß die Palladium-Schicht (18) des damit beschichteten Anschlusses (10) durchgehend ein Niveau der inneren Makrobeanspruchung von wenigstens 206,84 MPa (30.000 psi) und bis zu etwa 965,27 MPa (140.000 psi) hat und Auswählen der Gold-Beschichtungslösung, wodurch

- das Vorhandensein einer solchen wesentlichen Makrobeanspruchungs- Charakteristik der aufgebrachten Palladium-Schicht (18) die Dauerhaftigkeit des Kontaktanschlusses wesentlich erhöht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Makrobeanspruchung der Palladium- Schicht (18) im Bereich von 275,79 bis 896,32 MPa (40.000 bis 130.000 psi) liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Palladium-Schicht (18) eine Dicke zwischen 0,13 und 2,54 µm, vorzugsweise 0,38 bis 2,03 µm (5 bis 100 Mikrozoll, vorzugsweise 15 bis 80 Mikrozoll) hat.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das Gold wenigstens zu 99,9 Prozent rein ist.

5. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Goldschicht (20) innerhalb des Bereiches von 0,03 bis 0,18 µ/m, vorzugsweise 0,05 bis 0,10 µm (1 bis 7 Mikrozoll, vorzugsweise 2 bis 4 Mikrozoll) liegt.

6. Elektrischer Kontaktanschluß (10) mit erhöhter Dauerhaftigkeit, der dazu bestimmt ist, ein komplementäres Kontaktglied zu berühren und damit einen elektrischen Kontakt herzustellen, wobei der Anschluß (10) ein Substrat (16) mit einer darauf aufgebrachten zweischichtigen Beschichtung hat, dadurch gekennzeichnet,

- die erste Schicht (18) der Beschichtung aus Palladium besteht, das auf das Substrat (16) aufgebracht ist, wobei die Palladium-Schicht eine Makrobeanspruchung im Bereich von 206,84 bis 965,27 MPa, vorzugsweise 413,69 bis 689,48 MPa (30.000 bis 140.000 psi, vorzugsweise 60.000 bis 100.000 psi) hat, und

- die zweite Schicht (20) aus Gold besteht, das auf das Palladium aufgebracht ist, wobei die Goldbeschichtung vorzugsweise eine Knoop-Härte im Bereich von 60 bis 90 hat.

7. Anschluß (10) nach Anspruch 6, bei dem die Palladium-Schicht (18) eine Dicke zwischen 0,13 und 2,54 µm, vorzugsweise 0,38 bis 2,03 µm (5 bis 100 Mikrozoll, vorzugsweise 15 bis 80 Mikrozoll) hat.

8. Anschluß (10) nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die Goldschicht (20) im Bereich von 0,03 bis 0,18 µm, vorzugsweise 0,05 bis 0,10 µm (1 bis 7 Mikrozoll, vorzugsweise 2 bis 4 Mikrozoll) liegt.